I. principios de los reactores paralelos de laboratorio

El reactor paralelo de laboratorio es un dispositivo utilizado para la reacción simultánea de varios sistemas de reacción, cuyo principio es mejorar la eficiencia de la reacción a través de la reacción simultánea de varios reactores. El equipo suele estar compuesto por múltiples reactores, sistemas de control de temperatura, sistemas de mezcla y sistemas de incorporación de reactivos. Entre ellos, varios reactores pueden realizar reacciones de diferentes sistemas de reacción al mismo tiempo, el sistema de control de temperatura puede controlar la temperatura del sistema de reacción, el sistema de agitación puede garantizar que el sistema de reacción alcance una mezcla uniforme, y el sistema de adición de reactivos puede garantizar que los reactivos se agreguen al sistema de reacción en una cierta proporción.

II. aplicación de reactores paralelos de laboratorio

Los reactores paralelos de laboratorio son ampliamente utilizados en reacciones químicas, reacciones catalíticas, reacciones biológicas y otros campos. Su principal ventaja es que se pueden realizar reacciones de múltiples sistemas de reacción al mismo tiempo, mejorando así la eficiencia de la reacción y reduciendo los costos experimentales. Además, los reactores paralelos de laboratorio también se pueden utilizar para optimizar las condiciones de reacción y seleccionar el sistema de reacción, proporcionando más posibilidades para la investigación química. En la investigación química, los reactores paralelos de laboratorio se pueden utilizar en la síntesis de nuevos compuestos, la optimización de las condiciones de reacción, el cribado de catalizadores y otros aspectos. En la investigación biológica, los reactores paralelos de laboratorio se pueden utilizar en la detección de medicamentos, reacciones catalíticas enzimáticas y otros aspectos. En resumen, el reactor paralelo de laboratorio es uno de los equipos experimentales que no se encuentran en el laboratorio químico, y su aplicación tiene amplias perspectivas en los campos químico y biológico.

III. Análisis experimental de reactores paralelos de laboratorio

Control de mezcla de tanques paralelos

Curva característica de control de agitación del tanque paralelo cuádruple de 500ml

La capacidad de suministro de oxígeno del reactor es particularmente importante, y el coeficiente de transferencia de oxígeno a granel (kla) está estrechamente relacionado con la velocidad de agitación y la forma de la hoja, por lo que el control estable de los parámetros de agitación del reactor es particularmente importante.

Se establecen parámetros de diferentes velocidades de rotación para la prueba, la velocidad de agitación en línea se recoge en línea con el software del ordenador superior, y la velocidad real se determina con un velocímetro. En el caso de un trabajo de mezcla a largo plazo, se compararon las diferencias de velocidad entre los cuatro reactores, se analizó el paralelismo del control de mezcla, las velocidades de mezcla de los cuatro tanques continuaron funcionando de manera estable en diferentes valores de configuración, y las diferencias en el control de mezcla entre los cuatro reactores fueron menores, proporcionando las condiciones básicas para el cultivo paralelo posterior.

Control de temperatura de tanques paralelos

Curva característica de control de temperatura del tanque paralelo cuádruple de 500ml

El crecimiento y el Estado metabólico de los microorganismos están estrechamente relacionados con la temperatura ambiente, y la función precisa de control de temperatura del sistema y la capacidad paralela para lograr el control son un indicador importante para evaluar el cultivo paralelo del reactor de fermentación.

Después de establecer los parámetros de temperatura, el sistema de control de temperatura puede estabilizar rápidamente la temperatura en el valor establecido, y el reactor tiene un mejor rendimiento de control de temperatura dentro del rango de temperatura de prueba. Después del cálculo, la desviación máxima de los seis puntos de control de temperatura de 25,0 ° C a 40,0 ° C es del 2,0%, dentro de la demanda de desviación del 5,0%.

A través de la comparación del paralelismo de control de temperatura entre los tanques de las unidades a, b, C y D en el sistema de tanques paralelos de 500 ml, el experimento utilizó la prueba t de diferencia mínima significativa (prueba t de diferencia de señal más baja, LSD - t), p < 0,05 como diferencia estadística y mejor paralelismo.

Parámetros de control de temperatura del tanque paralelo cuádruple de 500ml

Control de ventilación del oxígeno disuelto asociado a tanques paralelos

Curva de control de flujo de ventilación de 500 ml de tanque paralelo cuádruple asociado con do

El valor del rango de oxígeno disuelto (do) que el reactor paralelo mantiene estable depende del módulo de control de ruta de gas de precisión. Se detectó el sistema de control de flujo de masa de gas (mfc), se establecieron diferentes valores de flujo de aire y oxígeno y se ajustó la presión del tanque para estabilizarlo en los mismos Valores. Comparando su precisión de medición y control y el paralelismo del sistema de control de flujo entre las cuatro unidades de tanques, las diferencias de control de flujo de ventilación entre las cuatro unidades de tanques se calculan y analizan mediante la prueba LSD - T. después del cálculo, la desviación máxima entre los diferentes puntos de control de flujo de ventilación es del 2,6%, el sistema de control de flujo de ventilación es mejor, y el paralelismo de control de flujo de ventilación entre las cuatro unidades de tanques se compara y analiza por LSD (cuando la diferencia es significativa, no hay diferencias significativas en el control de flujo de ventilación entre las cuatro unidades de tanques, y el paralelismo es mejor.

Control de pH de tanques paralelos

Curva de control de pH del tanque paralelo cuádruple de 500ml

El reactor utiliza sensores electroquímicos de contacto para lograr el control del rango de pH del proceso de reacción, está equipado con electrodos de pH Arc inteligentes de Hamilton y se puede asociar a través de estrategias de ventilación específicas. Cuando el electrodo detecta que el valor del pH del caldo de fermentación se desvía del valor del rango establecido, se retroalimentará al sistema de control del ordenador superior, y el sistema de llenado se controlará indirectamente para reponer automáticamente álcali o ácido. Establecer diferentes valores de pH y detectar si el sistema de control de retroalimentación de pH del reactor biológico cumple con los requisitos, el sistema de reactor biológico cuádruple de 500 ml tiene un mejor control de retroalimentación dentro del rango de pH necesario para cultivar microorganismos convencionales (ph = 5,0 a 8,0).

Para la capacidad de suministro de oxígeno del reactor biológico, la tasa de transferencia de oxígeno es un parámetro de medición particularmente importante, otr = KLA △ c. entre ellos, KLA es el coeficiente de transferencia de oxígeno a granel; △ C es el gradiente de concentración de oxígeno. Los otr en el proceso biológico se ven afectados por las condiciones hidrodinámicas en el reactor biológico, que varía según el tipo y el tamaño del reactor biológico. Por lo tanto, cuando se utiliza un reactor de 500 ml para el cultivo de fermentación, el tipo y el tamaño del reactor cambian, lo que resulta en un cambio en las condiciones hidrodinámicas, las condiciones de cultivo del fermentador convencional no son aplicables, y los parámetros de las condiciones de fermentación deben ajustarse para mejorar la capacidad de suministro de oxígeno del reactor.

La velocidad de ventilación, la velocidad de agitación y la forma de la hélice son factores importantes que afectan la capacidad de suministro de oxígeno del reactor. Ajustar la velocidad de ventilación y la velocidad de agitación es un medio simple y eficaz de control del suministro de oxígeno.

Relación entre el fermentador paralelo otr y los parámetros hidrodinámicos

Paralelismo del cultivo de película térmica en tanques paralelos

El reactor se utilizó para fermentar la CEPA s288c en lotes y analizar el paralelismo de cultivo entre los tanques de cuatro enlaces.

En las mismas condiciones de cultivo, el metabolismo celular de los hongos mostró una tendencia más consistente en los tanques a, b, C y D del reactor de 500 ml, y el paralelismo entre los diferentes reactores del tanque cuádruple fue bueno. Los parámetros fuera de línea, como la tasa de consumo de azúcar y la cantidad de bacterias, se combinan con el análisis cuantitativo de los parámetros en línea. durante el período de crecimiento exponencial, los cambios en los parámetros metabólicos relevantes muestran una relación relacionada con el crecimiento de bacterias. Sin alterar la ventilación durante todo el proceso de fermentación, los hongos realizaron principalmente una fermentación anaeróbica en una fase de crecimiento, mostrando un aumento simultáneo del peso seco celular (dry Cell weight, dcw) y el CER (véase la figura 11), una fase en la que el uso de oxígeno fue menor y la fluctuación de do fue menor, y cuando el glucosa se agotó y una fermentación dejó de entrar en el período de plataforma, el CER se redujo drásticamente. Cuando después de un breve período de adaptación de la plataforma, el hongo comenzó a fermentar por segunda vez, mostrando un aumento secundario de dcw y cer. El análisis comparativo muestra que la tasa de consumo de fuentes de carbono del sustrato es similar en cuatro tanques, y los cambios en el ciclo de fermentación son los mismos, con una buena relación lineal entre los parámetros macroeconómicos y un mejor paralelismo.

Parámetros macro del cultivo de fermentación de bacterias en tanques paralelos de 500 ml

Conclusión

Con el rápido desarrollo de la investigación y aplicación de la biomedicina, es urgente una plataforma de reactor biológico de prueba de proceso para salvar la brecha entre la disponibilidad de cepas de ingeniería genética y celular y la caracterización cuantitativa de las características metabólicas de las cepas en condiciones de proceso de cultivo, y lograr una caracterización cuantitativa rápida de las características metabólicas fisiológicas de las cepas y la optimización del proceso de cultivo. En este trabajo, se ha llevado a cabo una evaluación integral y una mejora y optimización de la capacidad de suministro de oxígeno del sistema de reactor biológico paralelo cuádruple de 500 ml desarrollado de forma independiente, sentando las bases para la realización posterior del análisis de las características metabólicas de las bacterias microbianas y las líneas celulares.

Bajo el experimento de control de parámetros del modo frío del reactor biológico cuádruple de 500ml, se analizó y evaluó su rendimiento. después de la comparación, se calculó que la desviación máxima del módulo de control de ph, temperatura, velocidad y tasa de ventilación del tanque paralelo de 500ml en diferentes puntos de configuración de parámetros estaba dentro del requisito de desviación del 5%. Después de la prueba y el cálculo de los parámetros LSD - t, no hay diferencias significativas entre las cuatro unidades del tanque de reacción, el control de los parámetros del modo frío del reactor cumple con los requisitos de control y el paralelismo general es mejor.

Los resultados experimentales de la CEPA en un reactor biológico de 500 ml tienen una buena repetibilidad y paralelismo, lo que puede caracterizar con precisión los parámetros de las características macroscópicas en el proceso de fermentación de la bacteria. Desde la operación unitaria tradicional hasta la ingeniería sistemática, desde macro hasta micro, la investigación actual es infiltrarse e integrarse con varios campos de alta tecnología para formar ciencias tecnológicas marginales. Con el desarrollo en profundidad de la investigación biotecnológica, cómo explorar en profundidad desde la perspectiva de la ingeniería, desde la descripción empírica macro hasta la comprensión esencial micro, sienta una buena base para la construcción de una plataforma de análisis de pruebas de proceso que combina macro y micro, que es de gran importancia para la optimización y amplificación del proceso.